Brettschichtholz aus Buche

Das Holz der Rotbuche (Fagus sylvatica L.) wird gegenwärtig nur in sehr geringem Maße für die Produktion von Brettschichtholz (BSH) verwendet. Obwohl diese in Mitteleuropa am weitesten verbreitete Laubholzart ein sehr hohes Potenzial hinsichtlich Festigkeit und Steifigkeit besitzt, wurde sie, neben dem Einsatz im Bahnbau (Schwellen), bisher überwiegend in der Möbelindustrie eingesetzt oder wird – mit geringer Wertschöpfung verbunden – häufig thermisch verwertet. Ein Hauptgrund dafür sind fehlende Normen und Richtlinien, welche die Herstellung und die mechanischen Eigenschaften von BSH aus Buche regulieren würden. In diesem Beitrag wird eine umfangreiche Forschungsarbeit zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften von BSH aus Buche vorgestellt. Es wurden Biege-, Zug-, Druck-, Knick- und Schubversuche an BuchenBSH-Bauteilen unterschiedlicher Querschnitte und Festigkeitsklassen durchgeführt, welche durch numerische Modellierungen ergänzt wurden. Die daraus abgeleiteten mechanischen Eigenschaften von Buchen-BSH, Formeln zur Berücksichtigung von Größeneffekten bei Biege- und Schubbeanspruchung sowie Knickkurven für die Berechnung stabilitätsgefährdeter Stützen aus Buchen-BSH werden in diesem Bericht präsentiert.

Stichworte Brettschichtholz; Rotbuche; experimentelle und numerische Untersuchungen; mechanische Eigenschaften; Festigkeit; Steifigkeit

European beech glued laminated timber

European beech wood (Fagus sylvatica L.) is currently used only to a very limited extent for the production of glued laminated timber (glulam). Although this most widespread hardwood species in Central Europe has a very high potential in terms of strength and stiffness, besides its application to railway construction (as sleepers), it has so far been mainly used by the furniture industry and for heating purposes. One main reason for this is the lack of standards and guidelines regulating the production, quality control and specifying the mechanical properties of beech glulam. In this paper, an extensive research project aiming at determining the mechanical properties of beech glulam is presented. Based on bending, tension, compression, buckling and shear tests on beech glulam specimens of different cross sections and strength classes and taking into account previous investigations as well as the results of numerical simulations, the mechanical properties of beech glulam are determined. Furthermore, formulas to account for the effect of the member size on the bending and shear strength as well as buckling curves for the design of columns made of beech glulam are presented.

Keywords glued laminated timber; European beech; experimental and numerical investigations; mechanical properties; strength; stiffness

1 Einleitung

Mit einem Anteil am Gesamtwaldbestand von rd. 15% (Deutschland), 10% (Österreich) und 18% (Schweiz) ist die Rotbuche (Fagus sylvatica L.) nach der Fichte (Picea abies Karst.) die zweithäufigste Baumart in der D-A-CHRegion. Ihr Anteil am Laubholzbestand beträgt in den drei genannten Ländern zwischen 50% und 80% [1, 2]. Das Holz der Rotbuche ist nicht nur in großer Menge verfügbar, es zählt auch zu den Hölzern mit dem höchsten Festigkeits- und Steifigkeitspotenzial aller heimischer Baumarten.

Trotz guter Verfügbarkeit und hoher Leistungsfähigkeit wurde Buchenholz bisher nicht oder nur in sehr geringem Maße für die Produktion von Brettschichtholz (BSH) eingesetzt. Zu den Hauptgründen dafür zählt einerseits eine derzeit auf die einfacher bearbeitbaren Nadelholzarten, insbesondere die Fichte, ausgerichtete Forstwirtschaft und holzverarbeitende Industrie. Andererseits sind bisher weitestgehend fehlende Normen und Richtlinien, die die Festigkeitssortierung des Rohmaterials, die Herstellung und Qualitätskontrolle von Brettschichtholz aus Buche sowie dessen mechanische Eigenschaften regeln würden, als Hindernis für eine über Spezialfälle hinausgehende Anwendung in der Baupraxis zu nennen.

Die durch den Klimawandel an Intensität und Häufigkeit zunehmenden Hitzeperioden, Stürme und großflächigen Schädlingsbefalle haben in den letzten Jahren und Jahrzehnten insbesondere an Fichten-Monokulturen große Schäden verursacht und zu einem Umdenken in der Forstwirtschaft geführt. Als Folge davon wird in naher Zukunft der Anteil der Fichte am Waldbestand voraussichtlich zurückgehen. Um Holz weiterhin und womöglich gar verstärkt als nachhaltigen Werkstoff in der Bauwirtschaft nutzen zu können, wurde die Beforschung der von diesen Entwicklungen profitierenden (Laub-)Holzarten intensiviert.

Vor diesem Hintergrund wurde im Rahmen des vom schweizerischen Bundesamt für Umwelt gesteuerten Forschungs- und Innovationsprogramms „Aktionsplan Holz“ im Jahr 2015 ein Projekt gestartet, welches die Untersu-

chung der gesamten Produktionskette von Buchen-BSH sowie die Deklarierung von mechanischen Eigenschaften des Endprodukts und deren normative Umsetzung zum Ziel hatte. Das im Jahr 2020 abgeschlossene Projekt wurde unter der Leitung der Abteilung Ingenieur-Strukturen der Empa in Zusammenarbeit mit der ETH Zürich und der Berner Fachhochschule durchgeführt [3].

In diesem Beitrag wird die umfangreiche Forschungsarbeit zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften von BSH aus Buche vorgestellt. Basierend auf Biege-, Zug-, Druck-, Knick- und Schubversuchen an BuchenBSH-Bauteilen unterschiedlicher Querschnitte und Festigkeitsklassen und unter Berücksichtigung früherer Untersuchungen wurden die wichtigsten mechanischen Eigenschaften von Buchen-BSH für die Festigkeitsklassen GL 40c, GL 40h, GL 48c und GL 48h erarbeitet. GL steht dabei für Brettschichtholz (engl.: glued laminated timber), der numerische Wert für den charakteristischen Wert (5%-Fraktilwert) der Biegefestigkeit in MPa und c bzw. h für kombinierte bzw. homogene Querschnittsaufbauten. Im Sinne einer Machbarkeitsstudie wurden darüber hinaus die Festigkeitsklassen GL 55c und GL 55h untersucht. Als zusätzliche Projektergebnisse werden Formeln zur Berücksichtigung des Einflusses der Bauteilgröße auf die Biege- und Schubfestigkeit sowie Knickkurven für die Bemessung stabilitätsgefährdeter Stützen aus Buchen-BSH präsentiert.

2 Experimentelle Untersuchungen an BuchenBrettschichtholz

2.1 Herstellung der Prüfkörper

Die Prozessschritte bei der Herstellung von Buchen-BSH unterscheiden sich generell nicht von jenen für Nadelholz-BSH. Die Stämme werden eingesägt, die Bretter getrocknet, festigkeitssortiert, keilgezinkt, gehobelt, flächenverklebt und das BSH anschließend abgebunden. Um den Besonderheiten der Buche Rechnung zu tragen, ist allerdings eine geringere Lamellenstärke (in diesem Projekt: Endmaß 25 mm) angezeigt. Die Holzfeuchte sollte bereits bei der Produktion annähernd der späteren Ausgleichsfeuchte am Einsatzort (vorwiegend trockene und im Winter beheizte Innenbereiche von Gebäuden) entsprechen, um einem starken Schwinden der BuchenBSH-Bauteile und damit einer Rissbildung vorzubeugen. In diesem Projekt wurde eine Holzfeuchte bei der Sortierung und Verklebung von 8 ± 2% gewählt.

Um die angestrebten Festigkeitsklassen GL 40, GL 48 und GL 55 erreichen zu können, mussten zunächst Regeln und Grenzwerte für die Festigkeitssortierung definiert werden [4]. Dazu war die detaillierte Aufnahme von visuellen (z.B. Astgröße) und maschinellen Festigkeitsindikatoren erforderlich. Dabei war insbesondere der dynamische Elastizitätsmodul Edyn, bestimmt über die erste longitudinale Eigenfrequenz f1, die Brettlänge l und die Rohdichte r mit Gl. (1), von großer Relevanz. Die Verifikation der Korrektheit und Trennschärfe der Sortierung erfolgte mittels Zugprüfungen an insgesamt mehr als 500 Brettern. So konnten Sortierregeln definiert werden, die eine Klassierung in die Zug-Festigkeitsklassen T 22, T 33, T 42 und T 50 erlauben [4]. T steht dabei jeweils für „Tension/Zug parallel zur Faserrichtung des Holzes“, der numerische Wert (z.B. 42) für den charakteristischen Wert (5%-Fraktilwert) der Zugfestigkeit der Klasse in MPa.

Für die Produktion der BSH-Prüfkörper wurden insgesamt 5 741 Bretter (rd. 76 m3), bezogen von vier Sägereien aus den Kantonen Aargau, Bern, Jura und Zürich, gemäß den definierten Regeln in die Festigkeitsklassen T 22, T 33, T 42 und T 50 sortiert. Um die Qualität der Bretter auch hinsichtlich Krümmung und Rissbildung bewerten zu können, wurden die Bretter bereits vor der Festigkeitssortierung auf die Ziel-Holzfeuchte von 8 ± 2% getrocknet.

Die Bretter wurden nach erfolgter Festigkeitssortierung durch Keilzinkenverbindungen (KZV) in Längsrichtung gestoßen. Die Festigkeit dieser Verbindungen spielt insbesondere bei zugbeanspruchten Bauteilen sowie in der Biegezugzone von Biegeträgern eine zentrale Rolle. Im Rahmen des Projekts wurde an der BFH/AHB in Biel die Festigkeit der KZV anhand von 100 Biegeprüfungen und 150 Zugprüfungen gemäß Prüfnorm EN 408 (2010) untersucht. Als Klebstoff zur Verklebung der KZV wurde ein 1-K-PUR-Klebstoff verwendet.

Die in den Versuchen ermittelten Mittel- und 5%-Fraktilwerte von 83 MPa und 66 MPa (Biegeprüfungen) bzw. 65 MPa und 51 MPa (Zugprüfungen) erlauben die Produktion von Buchen-BSH der angestrebten Festigkeitsklassen GL 40 und GL 48 [5]. Im Hinblick auf eine Qualitätskontrolle hat es sich zudem gezeigt, dass (wie bei Nadelholz-BSH) die Zugprüfung der KZV aussagekräftiger ist als die Biegeprüfung.

Durch die Flächenverklebung von einzelnen „Endloslamellen“ können BSH-Träger und -Stützen beliebiger Höhe und Länge hergestellt werden. Um die auftretenden Schubspannungen zwischen den Brettlagen übertragen zu können, ist eine ausreichende Scherfestigkeit der Verklebung sicherzustellen. Als zweite Anforderung ist die Dauerhaftigkeit der Flächenverklebung bei sich ändernden Feuchte- und Temperaturumgebungen zu gewährleisten. Bei der Produktion der BSH-Träger und -Stützen durch den Projektpartner neue Holzbau AG (www.neueholzbau.ch) wurde ein Klebstoffsystem eingesetzt, welches aus einem Primer (Auftragsmenge: 20 g/m2, Primer-Konzentration: 10 %) und einem 1-KPUR-Klebstoff (HB-S 709, 180 g/m2) besteht und sämtliche normativen Anforderungen hinsichtlich der Längszugscherfestigkeit (Prüfung gemäß EN 302-1 [6]) und der Delaminierungsbeständigkeit (Prüfung gemäß EN 302-2 [7]) erfüllt [5].

Bild 1 Übersicht über die 39 durchgeführten Biegeversuche: Serienbezeichnung, Festigkeitsklasse, verwendete Lamellenfestigkeiten, Prüfkörperabmessungen sowie Anzahl der Prüfkörper je Serie Bending tests: series names, strength class, lamination strength class, cross-section geometry and number of experiments

2.2 Art, Umfang und Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen

Der Schwerpunkt des an der Empa und der ETH Zürich durchgeführten experimentellen Forschungsprogramms wurde entsprechend dem antizipiert größten Einsatzpotenzial von Buchen-BSH, der Verwendung als hoch belastete Stützen und Träger im Wohn-, Büro- und Industriebau, gesetzt. Die avisierten Festigkeitsklassen GL 40, GL 48 und GL 55 sollten dabei eine Erweiterung der derzeit verfügbaren BSH-Festigkeitsklassen nach oben sein, um den Einsatz von Holz im Tragwerksbau in Bereichen zu erweitern, welche bisher dem Stahl- und Stahlbetonbau vorbehalten waren.

2.2.1 Biegeversuche an Trägern

Die Vier-Punkt-Biegeversuche wurden den Vorgaben der Prüfnorm EN 408 [8] entsprechend mit einer Spannweite von 18 × h (h = Trägerhöhe) durchgeführt. Kombinierte Querschnittsaufbauten der Festigkeitsklassen GL 40c, GL 48c und GL 55c wurden untersucht. Der Aufbau der Querschnitte aus gemäß den Angaben in [4] in die Zugfestigkeitsklassen T 22, T 33, T 42 und T 50 sortierten Brettern ist in Bild 1 dargestellt. Das Endmaß der Brettdicke betrug 25 mm.

Je Festigkeitsklasse wurden Versuche an jeweils sieben Prüfkörpern mit den Querschnittsabmessungen h × b = 400 mm × 160 mm und einer Spannweite von 7200 mm durchgeführt. Um den Einfluss der Prüfkörpergröße auf die Biegefestigkeit und ggf. auf den Biege-Elastizitätsmodul untersuchen zu können, wurden zusätzlich Versuche an je sieben Prüfkörpern mit den Querschnittsabmessungen h × b = 200 mm × 120 mm (Spannweite 3600 mm) und h × b = 600 mm × 160 mm (Spannweite 10800 mm) sowie an weiteren vier Prüfkörpern mit den Querschnittsabmessungen h × b = 800 mm × 180 mm (Spannweite 14400 mm) durchgeführt.

Bild 2 zeigt den Versuchsstand für einen Träger mit einer Höhe von 800 mm und einer Spannweite von 14400 mm, der zur Ermittlung der Biegefestigkeit und des lokalen und globalen Biege-Elastizitätsmoduls gemäß EN 408 [8] genutzt wurde. Während der lokale Biege-Elastizitätsmodul im querkraftfreien Bereich zwischen den Krafteinleitungspunkten ermittelt wird und deshalb für die Beschreibung der Biegeverformungen relevant ist, stellt der globale Biege-Elastizitätsmodul einen Systemwert dar, beeinflusst durch Schub- und Querdruckverformungen. Prüfaufbau, Prüfablauf und Datenauswertung erfolgten gemäß Prüfnorm EN 408 [8].

2.2.2 Zugversuche an Lamellenbündeln

An jeweils sieben Lamellenbündeln der Festigkeitsklassen GL 40h (hergestellt aus T 33-Lamellen), GL 48h (T 42) und GL 55h (T 50) wurden insgesamt 21 Zugver-

Bild 2 Versuchsstand zur Ermittlung der Biegefestigkeit und des lokalen und globalen Biege-Elastizitätsmoduls: Vorbereitungen für einen Vier-Punkt-Biegeversuch an einem Buchen-BSH-Träger mit einer Höhe von 800 mm und einer Spannweite von 14 400 mm Test stand for the determination of bending strength and local and global bending MOE: preparations of a four-point bending test on a European beech GLT beam with a height of 800 mm and a span of 14 400 mm

suche parallel zur Faserrichtung durchgeführt. Der Querschnitt der Prüfkörper, welche aus drei verklebten Brettern mit zumindest einer KZV je Lamelle bestanden (Bild 3a), war b × h = 160 mm × 75 mm. Die freie Prüflänge entsprach mit 3 540 mm etwa der Länge des max. belasteten Abschnitts zwischen den Lasteinleitungspunkten in den Vier-Punkt-Biegeversuchen (= 3 600 mm) mit einer Trägerhöhe von 600 mm. Der Zug-Elastizitätsmodul parallel zur Faserrichtung wurde durch Verformungsmessungen mittels induktiver Wegsensoren (LVDT) über eine Länge von 800 mm bestimmt (Bild 3b).

2.2.3 Druck- und Knickversuche an Stützen

Die Druckfestigkeit und der Druck-Elastizitätsmodul parallel zur Faserrichtung wurden an jeweils sieben Prüfkörpern der Festigkeitsklassen GL 40h (hergestellt aus T 33-Lamellen), GL 48h (T 42) und GL 55h (T 50) mit Querschnittsabmessungen (a) von 200 mm × 200 mm gemäß EN 408 [8] (Bild 4) ermittelt. Die Länge der gedrungenen Prüfkörper entsprach der sechsfachen Querschnittsbreite (6 × a = L = 1200 mm). Zusätzlich wurden Druckversuche an jeweils sieben Prüfkörpern der Festigkeitsklasse GL 48h mit Querschnittsabmessungen von 150 mm × 150 mm (L = 900 mm) und 280 mm × 280 mm (L = 1680 mm) durchgeführt. Zur Ermittlung des Druckelastizitätsmoduls wurde eine Messlänge entsprechend der vierfachen Querschnittsbreite (600, 800 bzw. 1120 mm) verwendet. Beidseitig angebrachte Laser wurden zur Messung der Verformungen eingesetzt.

Zusätzlich zu den Druckfestigkeitsversuchen wurden Knickversuche an schlanken Stützen mit quadratischen Querschnitten (a = 200 mm) und Knicklängen von

Bild 4 Versuchsstand zur Ermittlung der Druckfestigkeit und des DruckElastizitätsmoduls parallel zur Faserrichtung Test stand for the determination of compressive strength and the compressive MOE parallel to the grain

Bild 3 Zugversuche: Querschnitt und Einspannung (a) sowie Prüfkörper mit LVDT zur Bestimmung des Elastizitätsmoduls (b) Tensile tests: cross section and clamping area (a) and LVDT for determining the tensile MOE parallel to the grain (b)

Bild 5 Versuchsstand zur Ermittlung des Knickwiderstands einer Buchen-BSH-Stütze mit einer Knicklänge von 3 600 mm vor der Prüfung (a) und unter Belastung (b) Test stand for the determination of the buckling resistance of a column with a buckling length of 3 600 mm before (a) and during testing (b)

Lk = 2400 mm und 3600 mm durchgeführt (Bild 5). Je Schlankheit wurden drei Stützen der Festigkeitsklasse GL 40h und fünf Stützen der Festigkeitsklasse GL 48h mit beidseitig gelenkiger Lagerung getestet.

Die planmäßige Exzentrizität der Stützen betrug zwischen 5 und 8 mm. Diese Exzentrizität entspricht rd. Lk/500 und damit jener Imperfektion von BSH-Stützen, die gemäß Eurocode 5 [9] zulässig ist, um das vereinfachte Verfahren (Ersatzstabverfahren und Reduktion der Druckfestigkeit mittels Knickbeiwert kc) anzuwenden.

2.2.4 Schubversuche

Für die Ermittlung der Schubfestigkeit von BSH steht derzeit kein normiertes Verfahren zur Verfügung. Aus Versuchen an Nadelholz-BSH ist bekannt, dass sowohl das Volumen des Prüfkörpers als auch die Prüfkonfiguration (Setup) einen Einfluss auf die Schubfestigkeit besitzen. Insbesondere Setup-immanente Querdruckspannungen führen zu einer Erhöhung der im Versuch ermittelten Schubfestigkeit. Um die genannten Einflüsse zu quantifizieren und um für reale Bauteile aus Buchen-BSH abgesicherte Schubfestigkeiten bestimmen zu können, wurden verschiedene Konfigurationen und Prüfkörpergrößen untersucht.

In Anlehnung an die EN 408 [8] wurden Druck-Scherversuche an sechs Buchen-BSH-Prüfkörpern der Festigkeitsklasse GL 48c mit einer Höhe von 200 mm (b = 120 mm) und einer Länge von 520 mm durchgeführt (Bild 6a). Des Weiteren erfolgten Drei-Punkt-Biegeversuche mit kurzer Spannweite (Lsp = 2,5 × h) an jeweils sieben Prüfkörpern der Festigkeitsklassen GL 48c und GL 55c mit einer Querschnittshöhe von 400 mm (b = 160 mm) (Bild 6b).

Zur Untersuchung des Größeneffekts wurden zusätzlich Drei-Punkt-Biegeversuche an jeweils sieben Prüfkörpern der Festigkeitsklassen GL 48c mit Querschnittshöhen von 200 mm (b = 120 mm) und 600 mm (b = 160 mm) durchgeführt. Um ein frühzeitiges Biegeversagen zu vermeiden, wurden Prüfkörper mit I-Querschnitten verwendet, wobei die Stegbreite 75% der Gurtbreite betrug. Fünf Versuche (GL 48c, h = 400 mm) wurden an Trägern mit Rechteckquerschnitten durchgeführt.

In Anlehnung an Basler et al. [10] wurde eine asymmetrische Vier-Punkt-Biegeversuchskonfiguration (Bild 6c) entwickelt. Im Vergleich zu Drei-Punkt-Biegeversuchen erlaubt diese Art des Versuchs eine Verdopplung der Feldlänge bei identem Biegemoment und identer Querkraft. Der Einfluss der Querdruckspannungen auf die Schubspannung kann damit nahezu eliminiert werden. Es wurden Versuche an sieben Prüfkörpern der Festigkeitsklasse GL 48c mit einer Höhe von 400 mm (b = 160 mm) mit I-Querschnitten durchgeführt.

Bild 6 Versuchsstände zur Bestimmung der Schubfestigkeit und des Schubmoduls: a) Druck-Scherversuch in Anlehnung an die EN 408 [8], b) Drei-PunktBiegeversuch mit kurzer Spannweite und c) asymmetrischer Vier-Punkt-Biegeversuch Test stands for the determination of shear strength and shear modulus: a) compression-shear test according to EN 408 [8], b) short span three-point bending test and c) asymmetric four-point bending test

3 Ergebnisse

3.1 Holzfeuchte und Rohdichte

Wie im Projekt geplant, lag die gemessene Holzfeuchtigkeit sämtlicher Prüfkörper in einem Bereich von 8 ± 2%. Die entsprechende Feucht-Rohdichte betrug über alle Versuchsserien im Mittel rd. 700 kg/m3, mit Minimal- und Maximalwerten von 664 und 734 kg/m3 .

3.2 Biegefestigkeit und Biege-Elastizitätsmodul

Die für die angestrebten Festigkeitsklassen GL 40c, GL 48c und GL 55c nötigen charakteristischen Werte der Biegefestigkeit konnten in den Biegeversuchen erreicht werden (Bild 7a). Das vorwiegend von den KZV ausgehende Versagen verdeutlichte allerdings, dass die Festigkeit der KZV den limitierenden Faktor darstellt. Damit lassen sich die nur geringen Unterschiede hinsichtlich der Biegefestigkeit zwischen den Festigkeitsklassen erklären (Bild 7a). Der Variationskoeffizient (COV) lag in alle Serien bei rd. 0,10. Während die Unterschiede hinsichtlich der Biegefestigkeit zwischen den untersuchten Festigkeitsklassen nur gering ausfielen, wurden für die unterschiedlichen Trägerhöhen große Unterschiede festgestellt, was auf einen ausgeprägten Volumeneinfluss schließen lässt. Für die Festigkeitsklasse GL 48c wurden bei einer Trägerhöhe von 200 mm eine max. Biegefestigkeit von 96 MPa und ein Mittelwert von 78,1 MPa erreicht. Mit zunehmender Trägerhöhe nahm die Biegefestigkeit kontinuierlich ab und lag für h = 800 mm im Mittel bei 58,1 MPa (Bild 7a).

Der Volumeneinfluss bei Biegung kann in Abhängigkeit von der Trägerhöhe mit Gl. (2) beschrieben werden [11]. Im Vergleich zu BSH aus Nadelholz und den Angaben in der Produktnorm EN 14080 [12] (Exponent 0,10) ergaben sich folglich nur geringfügige Unterschiede hinsichtlich des Volumeneinflusses.

(2)

Deutliche Unterschiede zwischen den Festigkeitsklassen und kein Volumeneinfluss wurden hinsichtlich des Biege-

f f= ⋅m,g,k m,g,k min         h 600   ;1,10

0,14     

Bild 7 Ergebnisse der Vier-Punkt-Biegeversuche: a) Biegefestigkeit (in MPa) und b) lokaler Biege-Elastizitätsmodul (in GPa) der Festigkeitsklassen GL 40c, GL 48c und GL 55c für die Träger mit Querschnittshöhen 200, 400, 600 und 800 mm a) Bending strength (in MPa) and b) bending modulus of elasticity (in GPa) determined in four-point bending tests on beams of the strength classes GL 40c, GL 48c and GL 55c with heights of 200, 400 600 and 800 mm

Elastizitätsmoduls festgestellt (Bild 7b). Der Mittelwert des Biege-Elastizitätsmoduls lag bei 14,2 GPa (GL 40c), 15,3 GPa (GL 48c) und 16,2 GPa (GL 55c). Der Variationskoeffizient (COV) lag innerhalb der einzelnen Serien zwischen lediglich 0,01 und 0,04.

3.3 Festigkeiten und Elastizitätsmoduln parallel zur Faserrichtung

In den Zugversuchen parallel zur Faserrichtung wurden Mittelwerte und 5%-Fraktilwerte der Zugfestigkeit von ft,0,mean = 43,7 MPa und ft,0,05 = 36,6 MPa (GL 40h), ft,0,mean = 53,3 MPa und ft,0,05 = 44,3 MPa (GL 48h) und ft,0,mean = 57,7 MPa und ft,0,05 = 52,9 MPa (GL 55h) ermittelt. Der Variationskoeffizient lag bei 0,10 (GL 40h), 0,09 (GL 48h) und 0,05 (GL 55h). Der mittlere Zug-Elastizitätsmodul betrug 15,2 GPa (GL 40h; COV = 0,06), 15,5 GPa (GL 48h; COV = 0,03) und 17,0 GPa (GL 55h; COV = 0,03).

In Bild 8 sind die Ergebnisse der Druckversuche zusammengefasst. Hinsichtlich der Druckfestigkeit parallel zur Faserrichtung (Bild 8a) wurden eine geringe Streuung (COV ≤ 0,04) und ein generell sehr hohes Niveau der Festigkeiten (der niedrigste Wert der 35 Versuche lag bei 55,8 MPa) festgestellt. Darüber hinaus wurden nur sehr geringe Unterschiede zwischen den Festigkeitsklassen GL 40h (fc,0,mean = 60,4 MPa), GL 48h (63,8 MPa; a = 200 mm) und GL 55h (65,8 MPa) beobachtet. Es konnte kein Volumeneinfluss identifiziert werden.

Größere Unterschiede zwischen den Festigkeitsklassen wurden hinsichtlich des Druck-Elastizitätsmoduls parallel zur Faserrichtung festgestellt (Bild 8b). Die Mittelwerte betrugen 15,1 GPa (GL 40h), 15,7 GPa (GL 48h) und 17,0 GPa (GL 55h). Der Variationskoeffizient lag dabei zwischen lediglich 0,01 und 0,04.

3.4 Knickwiderstand

Die in den Versuchen an Stützen mit Knicklängen (Lk) von 2400 mm und 3600 mm und Exzentrizitäten von rd. Lk/500 erreichten Traglasten konnten mit numerischen Simulationen [13] sehr gut abgebildet werden. Ein Vergleich dieser sehr gut übereinstimmenden experimentellen und numerischen Ergebnisse einerseits mit einer Berechnung nach Eurocode 5 [9] mit dem Ersatzstabverfahren und dem Knickbeiwert kc andererseits zeigt, dass die Bemessung mit dem Ersatzstabverfahren gemäß Eurocode 5 zu einer Überschätzung der tatsächlichen Traglast um bis zu 18% führt (Bild 9).

Während gemäß Eurocode 5 [9] für die Bemessung von BSH-Stützen ein Imperfektionsbeiwert von βc = 0,10 und eine Grenzschlankheit, ab der ein Knicken (kc < 1,0) auftreten kann, von λrel,0 = 0,30 vorgegeben werden, zeigen die experimentellen und numerischen Untersuchungen, dass das tatsächliche Verhalten durch die Parameter βc = 0,25 und λrel,0 = 0,25 deutlich besser abgebildet werden kann [13] (Bild 9).

Aus Sicht der Autoren lässt sich dieser Unterschied nicht primär durch die geänderte Holzart (Buche statt Nadelholz/Fichte), sondern vielmehr durch Unterschiede in den zugrunde liegenden Annahmen hinsichtlich der Imperfektionen erklären: Die Knickkurven gemäß Eurocode 5 [9] basieren auf numerischen Traglastsimulationen von Blaß [14]. Die in [14] berücksichtigten Imperfektionen wiederum beruhen auf tatsächlich an 176 Stützen gemessenen Vorkrümmungen und sind wesentlich gerin-

Bild 8 Ergebnisse der Druckversuche parallel zur Faserrichtung: a) Druckfestigkeit (in MPa) und b) Druck-Elastizitätsmodul (in GPa) der Festigkeitsklassen GL 40h, GL 48h und GL 55h für Querschnittsabmessungen (quadratisch) von 150, 200 und 280 mm a) Compressive strength (in MPa) and b) compressive modulus of elasticity (in GPa) resulting from the compression tests parallel to the grain on stocky columns of the strength classes GL 40h, GL 48h and GL 55h with cross section widths of 150, 200 and 280 mm

Bild 9 Experimentell ermittelte und numerisch simulierte Druck- bzw. Knickfestigkeit von Buchen-BSH-Stützen der Festigkeitsklasse GL 48h bei verschiedenen Schlankheiten λ; die Bemessung nach Eurocode 5 [9] mit βc = 0,10 und λrel,0 = 0,30 führt zu einer Überschätzung der tatsächlichen Traglast um bis zu 18 % Experimentally determined and numerically simulated compressive strengths for columns of strength class GL 48h and different slenderness ratios λ; design according to Eurocode 5 [9] with βc = 0.10 and λrel,0 = 0.30 leads to an overestimation of the experimental and numerical results by up to 18 %

ger als die im Eurocode 5 [9] max. zulässige Vorkrümmung von BSH-Bauteilen (Lk/500). Rund 95% der gemessenen und in weiterer Folge in [14] simulierten Imperfektionen waren kleiner als Lk/1000 und 66% waren sogar kleiner als Lk/2000. Es besteht gegenwärtig also eine Diskrepanz zwischen den Imperfektionen, für welche die Knickkurven gemäß Eurocode 5 [9] kalibriert wurden und zutreffende Prognosen des Tragwiderstands liefern (e ≈ Lk/1500), und der gemäß Eurocode 5 [9] zulässigen Vorkrümmung von

Bild 10 Mittelwerte (fv,mean) und 5 %-Fraktilwerte (fv,05) der Schubfestigkeiten verschiedener Festigkeitsklassen von Buchen-BSH-Prüfkörpern, Prüfkonfigurationen („Typ“) und Querschnittshöhen (h); die Symbole beschreiben die Versagensarten Mean (fv,mean) and 5 %-fractile values (fv,05) of shear strength for different strength classes of European beech glulam specimens, test configurations (“Typ”) and cross-section heights (h); the markers indicate the type of failure

BSH-Bauteilen (Lk/500). Um diese Diskrepanz aufzulösen, könnten einerseits die Knickparameter (βc, λrel,0) angepasst werden – unter Berücksichtigung praxisrelevanter Imperfektionen, die sich aus der Vorkrümmung des Bauteils und der Exzentrizität der Lasteinleitung ergeben. Alternativ könnten andererseits die zulässigen Imperfektionen gemäß Eurocode 5 [9] reduziert und so die derzeit gültigen Knickkurven (βc = 0,10; λrel,0 = 0,30) beibehalten werden.

3.5 Schubfestigkeit und Schubmodul

Zur Ermittlung der Schubfestigkeit und des Schubmoduls wurden in Ermangelung einer standardisierten Versuchsmethode verschiedene, in Abschn. 2.2.4 näher beschriebene, Versuchskonfigurationen verwendet. Bild 10 gibt einen Überblick zu den jeweils erreichten mittleren (fv,mean) und charakteristischen Werten der Schubfestigkeit (fv,05). Da nicht in allen Versuchen ein Schubversagen erreicht werden konnte, sind in Bild 10 die Versagensarten durch verschiedene Symbole gekennzeichnet. Ist in einem Versuch kein Schub-, sondern ein Biege- oder Querdruckversagen festgestellt worden, so wurde die bei der Maximalkraft vorliegende Schubspannung bei der Berechnung der statistischen Parameter als Censored Data [15], d.h. als untere Grenze der im Einzelversuch möglichen Schubfestigkeit, berücksichtigt. Zunächst ist in Bild 10 ersichtlich, dass sowohl in den Druck-Scherversuchen in Anlehnung an die EN 408 [8] wie auch in den Drei-Punkt-Biegeversuchen an Trägern mit rechteckigem Querschnitt überwiegend ungewünschtes (Quer-)Druckversagen auftrat. Beide Versuchskonfigurationen sind demzufolge zur Ermittlung der Schubfestigkeit nur insofern geeignet, als dass ein Minimalwert der Schubfestigkeit im Sinne eines Proof Loading ermittelt werden kann, nicht jedoch können die tatsächlichen Werte bestimmt werden. Diese unerwünschte Versagensart trat bei Schubspannungen in der Höhe von 6–8 MPa (EN-408-Konfiguration) bzw. 12–14 MPa (Drei-Punkt- und Vier-Punkt-Biegeversuche) auf.

Werden die Ergebnisse der Drei-Punkt-Biegeversuche mit I-Querschnitten betrachtet, so ist erkennbar, dass die ermittelten Schubfestigkeiten unabhängig von der Festigkeitsklasse sind. Hingegen wurde ein großer Einfluss der Trägerhöhe bzw. des Prüfkörpervolumens auf die Schubfestigkeit festgestellt. Ausgehend von einer mittleren Schubfestigkeit von 16,0 MPa bei einer Trägerhöhe von h = 200 mm sinkt die Schubfestigkeit mit zunehmender Trägerhöhe auf 13,2 MPa (h = 400 mm) und 9,4 MPa (h = 600 mm).

Basierend auf einem volumenabhängigen Ansatz wurde, unter zusätzlichen konservativen Annahmen, die Gl. (3) zur Berücksichtigung des Größeneffekts auf die Schubfes-

Bild 11 Die gemessenen Dehnungen rechtwinklig zur Faserrichtung (εyy) kurz vor Erreichen der max. Kraft sind in einem Drei-Punkt-Biegeversuch (a) deutlich größer als in einem asymmetrischen Vier-Punkt-Biegeversuch (b) Measured strains perpendicular to the grain (εyy) shortly before reaching the maximum force are much higher in a short span three point bending test (a) than in an asymmetric four point bending test (b)

tigkeit aus den Versuchsergebnissen abgeleitet [11]. Obwohl auch für BSH aus Nadelholz ein Einfluss des beanspruchten Volumens auf die Schubfestigkeit besteht, wird gegenwärtig in der EN 14080 [12] keine Information zu dessen Berücksichtigung angegeben, mit welcher Gl. (3) verglichen werden könnte. f f= ⋅v,g,k v,g,k min         h 600   ;1,20

0,40      (3)

Der in den asymmetrischen Vier-Punkt-Biegeversuchen erreichte Mittelwert (fv,mean = 10,8 MPa) und 5%-Fraktilwert der Schubfestigkeit (fv,05 = 9,0 MPa) lag im Vergleich zum Drei-Punkt-Biegeversuch mit identem beanspruchtem Volumen (12,4 MPa bzw. 10,2 MPa) rd. 12% niedriger. Dies wird auf den positiven Einfluss von gleichzeitig zu den Schubspannungen wirkenden Querdruckspannungen zurückgeführt. Wie in Bild 11 ersichtlich ist, sind die mithilfe einer digitalen Bildkorrelationsmessung (DIC) beobachteten Stauchungen rechtwinklig zur Faserrichtung (εyy) bzw. Querdruckspannungen kurz vor Erreichen der Maximalkraft in den Drei-Punkt-Biegeversuchen (Bild 10a) deutlich größer als in den asymmetrischen Vier-Punkt-Biegeversuchen (Bild 10b).

Mit 51 Schubfeldmessungen wurden Schubmoduln zwischen 850 und 1350 MPa ermittelt. Der Mittelwert lag bei Gg,mean = 1170 MPa, der 5%-Fraktilwert bei Gg,0.05 = 970 MPa (COV = 0,11). Es wurde kein Einfluss der Festigkeitsklasse auf den Schubmodul festgestellt.

4 Schlussfolgerungen und Ausblick

4.1 Schlussfolgerungen

Die in diesem Beitrag vorgestellten umfangreichen Untersuchungen an Brettschichtholz aus Buche zeigen das große Potenzial dieses Produkts und dessen Eignung für die Erweiterung der Möglichkeiten im modernen Holzbau eindrücklich auf. Die Projektergebnisse belegen, dass es mit entsprechenden Maßnahmen in der Produktion (Trocknung, Sortierung, Keilzinkung, Flächenverklebung) möglich ist, BSH der Festigkeitsklassen GL 40, GL 48 und GL 55 herzustellen. Anhand von Biegeversuchen an Trägern mit Höhen zwischen 200 und 800 mm und Spannweiten bis 14400 mm konnte gezeigt werden, dass die Ziel-Festigkeitsklassen GL 40c, GL 48c und GL 55c erreicht werden können. Der mittlere lokale Biege-Elastizitätsmodul der Festigkeitsklassen GL 40c, GL 48c und GL 55c wurde mit 14,2, 15,3 bzw. 16,2 GPa ermittelt.

Die Druckfestigkeit parallel zur Faserrichtung wurde an gedrungenen Stützen mit verschieden großen Querschnittsabmessungen ermittelt und liegt für die Festigkeitsklassen GL 40h, GL 48h und GL 55h zwischen 58,2 und 65,8 MPa.

Anhand von experimentellen Knickversuchen an 2400 und 3600 mm langen, beidseitig gelenkig gelagerten Stützen (Querschnitt 200 mm × 200 mm) und parallel durchgeführten numerischen Traglastsimulationen konnten die derzeit im Eurocode 5 [9] vorgegebenen Knickkurven hinsichtlich ihrer Eignung für Buchen-BSH überprüft und angepasste Parameter (βc, λrel,0) vorgeschlagen werden.

In Ermangelung einer standardisierten Prüfkonfiguration wurden verschiedene Arten von Schubversuchen an Buchen-BSH durchgeführt, eine neue Prüfkonfiguration entwickelt und die resultierenden Schubfestigkeiten verglichen. Diese lagen je nach Art der Prüfung zwischen 8 und 17 MPa. Ein mittlerer Schubmodul von 1170 MPa wurde ermittelt.

Es konnte festgestellt werden, dass sowohl die Biegefestigkeit als auch die Schubfestigkeit von Buchen-BSH einem Volumeneinfluss unterliegen. Die Größenordnung dieses Einflusses ist sehr ähnlich jenem von BSH aus Nadelholz. Aus den Versuchen konnten Korrekturfaktoren für die Biege- und Schubfestigkeit in Abhängigkeit von der Trägerhöhe abgleitet werden.

4.2 Ausblick

Um die Verwendung von Brettschichtholz aus Buche und anderen Laubholzarten zu fördern, befinden sich in der Schweiz gegenwärtig sowohl ein Bemessungshandbuch

als auch Herstellerrichtlinien in Erarbeitung. Die Ergebnisse dieses Forschungsprojekts werden in diese Publikationen, deren Veröffentlichung für Ende 2021 avisiert wird, Eingang finden.

Anhand des anschließend durchgeführten Forschungsprojekts WHFF-2020.11 [16] wurde der Einfluss der Holzfeuchtigkeit auf die Druckfestigkeit und -steifigkeit parallel zur Faserrichtung verschiedener Laubholzprodukte untersucht. Die Ergebnisse erlauben die zuverlässige Angabe von Bemessungswerten für verschiedene Nutzungsklassen.

Auf europäischer Ebene befindet sich derzeit die Produktnorm EN 14080-2 [17] in Erarbeitung, welche die Anforderungen an bzw. die Eigenschaften von Brettschichtholz aus Laubholz beinhalten wird. Durch die Normierung kann die Produktion und Anwendung von BSH aus Laubholz wesentlich vereinfacht und auf eine abgesicherte Basis gestellt werden.

Dank

Die Autoren danken dem schweizerischen Bundesamt für Umwelt (BAFU) für die Unterstützung des Projekts im Rahmen des Aktionsplans Holz sowie sämtlichen Projektpartnern.

Literatur

[1] BAFU [Hrsg.] (2017) Jahrbuch Wald und Holz 2017. Umwelt Zustand Nr. 1718. Bundesamt für Umwelt, Bern. [2] Sauter, U.; Breinig, L. (2016) European hardwoods for the building sector: Reality of today – possibilities for tomorrow, WP 1 – Hardwood resources in Europe: Standing stock and resource forecasts in: EU-Hardwood Workshop.

Garmisch-Partenkirchen, Dec. 6, 2016. [3] Steiger, R.; Ehrhart, T.; Frangi, A.; Clerc, G.; Lehmann, M.;

Volkmer, T. (2020) Homogenes und kombiniertes Buchen-

Brettschichtholz – Technische Grundlagen zur Marktimplementierung als Bauprodukt für Biegeträger und Stützen.

Abschlussbericht. Projekt-Nr.: REF-1011-04200. AP-Holz

Projekt – BAFU. [4] Ehrhart, T.; Fink, G.; Steiger, R.; Frangi, A. (2016) Strength grading of European beech lamellas for the production of

GLT and CLT in: Görlacher, R. [Hrsg.] International Network on Timber Engineering Research. Proceedings of Meeting Forty-Nine. INTER, Graz, Aug. 16–19, 2016, pp. 29–43. [5] Lehmann, M.; Clerc, G.; Lehringer, C.; Strahm, T.; Volkmer, T. (2018) Investigation on the bond quality and the finger joint strength of beech glulam in: World Conference on Timber Engineering 2018. Seoul, Aug. 20–23, 2018. [6] EN 302-1 (2013) Klebstoffe für tragende Holzbauteile –

Prüfverfahren – Teil 1: Bestimmung der Längszugscherfestigkeit. Berlin: Beuth. [7] EN 302-2 (2017) Klebstoffe für tragende Holzbauteile –

Prüfverfahren – Teil 2: Bestimmung der Delaminierungsbeständigkeit. Berlin: Beuth. [8] EN 408 (2010) Holzbauwerke – Bauholz für tragende Zwecke und Brettschichtholz – Bestimmung einiger physikalischer und mechanischer Eigenschaften. Berlin: Beuth.

Autoren

Dr. Thomas Ehrhart (Korrespondenzautor) t.ehrhart@schnetzerpuskas.com Schnetzer Puskas Ingenieure AG Zweierstrasse 100 8003 Zürich, Schweiz

Dr. René Steiger rene.steiger@empa.ch Empa, Materials Science and Technology Abteilung Ingenieur-Strukturen Ueberlandstrasse 129 8600 Dübendorf, Schweiz Prof. Dr. Andrea Frangi frangi@ibk.baug.ethz.ch ETH Zürich Institut für Baustatik und Konstruktion Stefano-Franscini-Platz 5 8093 Zürich, Schweiz

[9] Eurocode 5 (2010) Bemessung und Konstruktion von Holzbauten – Teil 1-1: Allgemeines – Allgemeine Regeln und

Regeln für den Hochbau. Berlin: Beuth. [10] Basler, K.; Yen, B.; Mueller, J. (1960) Web buckling tests on welded plate girders in: Welding Research Council Bulletin

Series, No. 64. [11] Ehrhart, T. (2019) European beech glued laminated timber [Dissertation]. ETH Zürich. https://www.research-collec tion.ethz.ch/handle/20.500.11850/402805 [12] EN 14080 (2013) Holzbauwerke – Brettschichtholz und

Balkenschichtholz – Anforderungen. Berlin: Beuth. [13] Ehrhart, T.; Steiger, R.; Palma, P.; Gehri, E.; Frangi, A. (2020) Compressive strength and buckling resistance of glued laminated timber columns made of European beech in: Materials and Structures 53, Article 91. [14] Blaß, H. J. (1987) Tragfähigkeit von Druckstäben aus Brettschichtholz unter Berücksichtigung streuender Einflussgrößen [Dissertation]. Universität Fridericiana Karlsruhe. [15] Steiger, R.; Köhler, J. (2005) Analysis of censored data – examples in timber engineering research in: CIB/W18, Proceedings of Meeting Thirty-Eight, Paper 38-17-1. CIB/W18,

Karlsruhe, Aug. 27–30, 2005. [16] Frangi, A.; Ehrhart, T.; Steiger, R.; Strahm, T.; Bernasconi,

A. (2021) Laubholzstützen – Druckfestigkeit und E-Modul parallel zur Faserrichtung und Einfluss der Holzfeuchtigkeit. Projekt WHFF-CH 2020.11. [17] EN 14080-2 (n. d.) Timber structures – Part 2: Glued laminated timber and glued laminated solid timber made of hardwood – Requirements. Berlin: Beuth.

Zitieren Sie diesen Beitrag

Ehrhart, T.; Steiger, R.; Frangi, A. (2021) Brettschichtholz aus Buche. Bautechnik 98, Sonderheft Holzbau, Ausgabe 2, S. 104–114. https://doi.org/10.1002/bate.202100016